專利名稱：滑動部件和內(nèi)燃機(jī)用活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使相互滑動的滑動部件的滑動面上存在充分的潤滑油，降低滑動部件的滑動阻抗，同時可有效地防止雜音發(fā)生的滑動部件。而且，本發(fā)明還涉及一種可在與套筒的滑動面上保持充分的潤滑油的內(nèi)燃機(jī)用活塞。
背景技術(shù)：
作為降低滑動部件的滑動阻抗的技術(shù)，以往，通常是在滑動部件的材料中添加硅或氟素化合物，或進(jìn)行鉬或氟素樹脂等材料構(gòu)成的覆膜。但是，在前者中對滑動阻抗的降低沒有顯著的效果，而在后者中存在覆膜剝落、產(chǎn)生磨損的問題。
特別是在內(nèi)燃機(jī)用活塞(以下只稱為活塞)中，燃燒室內(nèi)的爆發(fā)壓力的一部分由相對套筒滑動的活塞環(huán)承受，通過使設(shè)置在活塞環(huán)下側(cè)的活塞裙部與套筒相接觸而保持活塞的姿勢。因此，當(dāng)活塞裙部與套筒的接觸不良時，則滑動阻抗增加，燃料費(fèi)降低，有時也會因活塞和套筒之間的接觸而產(chǎn)生雜音。
實(shí)開昭52-16451號公報和實(shí)開昭57-193941號公報中公開了一種在活塞的裙部等上施加噴砂或噴丸處理而形成微小的凹窩的方案，但這種方法在雜音的防止上也是無效的。
通常，相互滑動的面在初始階段有較大的磨損。這是由于通過機(jī)械加工形成的鋒利的棱邊在初始階段磨損的緣故，這種磨損被稱為初始磨損。初始磨損是由于供給到滑動面上的潤滑油的量、滑動面上產(chǎn)生的面壓的大小或滑動速度、滑動面的表面粗度或受其影響而產(chǎn)生的熱等各種原因而綜合產(chǎn)生的，在其到達(dá)平衡的階段磨損量和滑動阻抗減小(磨合現(xiàn)象)。之后，只要這一平衡不被打破，則不會產(chǎn)生大的磨損，但當(dāng)潤滑油的供給或相對滑動速度等發(fā)生大的變化時，則產(chǎn)生發(fā)熱或磨損量的急劇增加和滑動面的微小變形等，以致產(chǎn)生雜音。
因此，本發(fā)明是以滑動部件產(chǎn)生初始磨損的情況為前提，其目的在于提供一種通過使初始磨損后的滑動部件的表面性為理想的形態(tài)，可使初始磨損后的滑動順利地進(jìn)行，能夠有效地防止雜音的滑動部件。而且，本發(fā)明的目的還在于提供一種活塞，通過采用這種滑動部件，可減小活塞的裙部和套筒的間隙，因而使活塞的姿勢穩(wěn)定，防止活塞產(chǎn)生撞擊音，可降低噪音或振動。另外，本發(fā)明的目的還在于通過在運(yùn)行初期短時間地產(chǎn)生初始磨損，在早期降低滑動阻抗。
發(fā)明的公開本發(fā)明的滑動部件的特征為，在相互滑動的滑動部件中至少一方的滑動面上設(shè)置向與滑動方向交叉的方向延伸的凸部，在該凸部的表面上設(shè)置有微細(xì)的凹窩。凸部的延伸方向最好是與滑動方向垂直或近似垂直。而且，本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用活塞的特征為，在活塞本體側(cè)面中的至少裙部上設(shè)置有沿圓周方向延伸的凸部，在該凸部的表面上設(shè)置有微細(xì)的凹窩。以下，參照

圖1A，以活塞為例對本發(fā)明的作用加以說明。
圖1A為以計算機(jī)制圖表示不具有凹窩的活塞裙部表面的視圖，表示朝活塞本體的圓周方向延伸的凸部。圖1A表示對活塞本體進(jìn)行了機(jī)械加工后的狀態(tài)，凸部形成在斷面成大致圓弧狀的凹部之間。另外，機(jī)械加工可通過一邊用刀具等對活塞本體的外周進(jìn)行切削一邊使活塞本體向軸線方向相對移動而進(jìn)行。在這種情況下，凸部呈向軸線方向的螺旋狀。
然后，當(dāng)在活塞上產(chǎn)生初始磨損時，凸部的前端部磨掉，成為圖1B所示的大致梯形。這樣，由于在梯形部分的滑動接觸面的端緣部上形成端緣E，所以存留在凹部上的潤滑油受端緣E的阻擋而不向需潤滑的滑動接觸面上供給。圖2A、B表示圖1A、B中所示的凸部的斷面形狀，圖2A表示其機(jī)械加工后的狀態(tài)，圖2B表示初始磨損后的狀態(tài)。從圖2B可知，初始磨損后的滑動接觸面的端緣部上形成的端緣起到圍堰的作用，產(chǎn)生潤滑油供給不到滑動接觸面上的部位，在這種情況下，此處的溫度上升，成為產(chǎn)生雜音的原因。
圖3A為以計算機(jī)制圖表示本發(fā)明中活塞裙部表面的視圖，表示朝活塞本體的圓周方向延伸的凸部和設(shè)在該凸部表面上的微細(xì)的凹窩。當(dāng)在活塞上產(chǎn)生初始磨損時，凸部的前端部磨掉，成為圖3B所示的大致梯形。這樣，在該梯形部分的滑動接觸面上端緣部上出現(xiàn)有凹窩形成的匯流部B。
參照圖5A、B對本發(fā)明的凹窩的功能加以說明。僅對活塞本體進(jìn)行了機(jī)械加工的活塞表面如圖5A所示，成為微觀上V字形的槽向圓周方向延伸的狀態(tài)。當(dāng)向這種表面上供給潤滑油，施加面壓時，潤滑油由于毛細(xì)管的作用而相對鋒利的前端部更易于集中在槽的底部，所以難以形成油膜，滑動阻抗大。另一方面，圖5B表示本發(fā)明中凹窩的例子。當(dāng)向這種表面上供給潤滑油時，如圖5C所示，由于凹窩D成為儲油部而保持油珠0，所以即使在該表面上施加面壓，油膜S也得以保持，防止了滑動阻抗的增加。
根據(jù)本發(fā)明，潤滑油分別保持在上述這種微細(xì)的凹窩上，同時通過活塞的上下運(yùn)動，潤滑油很容易從匯流部B供給到滑動面上。因此，初始磨損結(jié)束，活塞與套筒磨合后，潤滑油供給到滑動面上，形成油膜，潤滑了滑動面，同時防止產(chǎn)生雜音。圖4A、B表示圖3A、B中所示的凸部的截面形狀，圖4表示初始磨損前的狀態(tài)，圖4B表示初始磨損后的狀態(tài)。如圖4A所示，由于凸部是由凹窩加工出的，所以急劇地產(chǎn)生初始磨損。另一方面，在供給到滑動面上的潤滑油的量、滑動面上產(chǎn)生的面壓的大小這些種種因素到達(dá)平衡的階段產(chǎn)生磨合現(xiàn)象，但由于初始磨損是在運(yùn)行初期短時間內(nèi)產(chǎn)生的，所以在滑動阻抗為低值的狀態(tài)下到達(dá)平衡。而且，在潤滑油順利地向滑動面供給的同時，如圖4B所示，由于在滑動面上也存留有凹窩，潤滑油滯留，所以可大幅度降低初始磨損后的滑動阻抗。而且，這樣一來，由于可以減小活塞的裙部和套筒之間的間隙，所以能夠使活塞的姿勢穩(wěn)定，防止產(chǎn)生活塞的撞擊音，并可降低噪音或振動。
在此，上述這種磨合現(xiàn)象最好是盡早、且以小的磨損量結(jié)束。當(dāng)沿與作為套筒的滑動面的裙部的圓周方向設(shè)置的凸部前端部滑動時，則磨損到穩(wěn)定的面壓。這是由于為了確?？沙惺芑瑒訒r的面壓的對應(yīng)面積而將凸部中多余的前端部除去的緣故。這樣，除去的前端部作為磨損粒而滯留在潤滑油中，為了盡可能地減少這種磨損粉，與在此處預(yù)先形成鋒利的端緣相比，預(yù)先確?？沙惺苊鎵旱钠矫媸怯行У?。因此，凸部最好呈在沿滑動方向的斷面所示時大致為梯形。通過采用這種結(jié)構(gòu)，與由機(jī)械加工形成鋒利的端緣的情況相比，滑動面上施加的面壓或表面粗度、以及對應(yīng)于相對滑動速度供給的潤滑油的量等更早地穩(wěn)定。
為了獲得上述作用，凹窩必須要有適當(dāng)?shù)拇笮?。若凹窩過小，則保持潤滑油的能力不充分，同時匯流部小，將潤滑油引出到滑動面上的作用不充分。另一方面，若凹窩過大，則凸部的形狀變形大，設(shè)置凸部的效果消失。凹窩可通過噴丸處理而形成。在這種情況下，由于凹窩的大小受上述的凹窩大小的限制，所以凹窩的平均深度最好為0.6～1.8μm。
圖6A、B表示初始磨損前的凸部斷面形狀。圖6A中例示了凹部為斷面大致是圓弧狀的情況，但并不僅限于此，也可以是和圖6A相反為凸部為截面是大致圓弧狀(圖6B)，或是凹部和凸部在剖面上所視為連續(xù)的波狀(圖6C)?；蛘甙疾亢屯共康臄嗝鏋樘菪?圖6D)或三角形(圖6E)。為了可靠地獲得本發(fā)明的作用、效果，凸部之間的間隔P最好為200～400μm，為250～300μm則更好。而且，從初始磨損前的凹部底部到凸部前端的高度H1最好為7～15μm，為8～12μm則更好。
在用于形成凹窩的噴丸處理中，最好是借助空氣向活塞投射玻璃珠的微粒。而且，丸粒的平均粒徑最好為20～60μm，粒徑為20μm以上即可。另外，噴丸處理中的丸粒投射時的空氣壓力最好為1.5～5.0kg/cm2。另外，雖然可以只在凸部的表面設(shè)置凹窩，但最好是設(shè)置在包含凹部在內(nèi)的整體上。而且，不僅是在活塞的裙部上，在活塞環(huán)的槽或環(huán)槽脊上也設(shè)置與上述相同的凸部和凹窩，這樣，能夠防止在槽和活塞環(huán)處產(chǎn)生雜音或在環(huán)槽脊和套筒處發(fā)生雜音。
另外，本發(fā)明的滑動部件并不僅限于在上述這種活塞中使用，可用于相互滑動的任何部件中。例如，可用于活塞銷、內(nèi)燃機(jī)用滑動軸承、凸輪軸保持器等往復(fù)滑動部件或旋轉(zhuǎn)滑動部件中。而且，通過使這些部件中的至少一方為上述的結(jié)構(gòu)，可以獲得確保滑動面上的潤滑油和防止產(chǎn)生雜音這種與上述相同的效果。
另外，在本發(fā)明中，可預(yù)先在滑動部件的表面上通過涂敷、含浸或擴(kuò)散等表面處理加入二硫化鉬或氟素樹脂等固體潤滑劑，或者在實(shí)施了噴丸處理后加入。
附圖的簡要說明圖1A為放大表示沒有凹窩的活塞表面的立體圖，是表示其初始磨損前狀態(tài)的視圖，圖1B為表示初始磨損后狀態(tài)的視圖。
圖2A為表示沒有凹窩的活塞表面之?dāng)嗝娴囊晥D，是表示其初始磨損前狀態(tài)的視圖，圖2B為表示初始磨損后狀態(tài)的視圖。
圖3A為放大表示本發(fā)明的活塞表面的立體圖，是表示其初始磨損前狀態(tài)的視圖，圖3B為表示初始磨損后狀態(tài)的視圖。
圖4A為表示本發(fā)明的活塞表面之?dāng)嗝娴囊晥D，是表示其初始磨損前狀態(tài)的視圖，圖4B為表示初始磨損后狀態(tài)的視圖。
圖5A為示意性表示現(xiàn)有的活塞之?dāng)嗝娴囊晥D，圖5B為示意性表示本發(fā)明的活塞之?dāng)嗝娴囊晥D，圖5C為表示在凹窩上保持有油珠的狀態(tài)的視圖。
圖6A和圖6B為表示初始磨損前的活塞中凸部的剖視圖，圖6A為表示凹部為截面大致是圓弧狀的視圖，圖6B與圖6A相反，表示凸部為截面大致是圓弧狀的視圖。
圖6C～圖6E為表示活塞初始磨損前的凸部的剖視圖，圖6C為表示凹部和凸部在從斷面上所視時為波狀連續(xù)的視圖，圖6D為凹部和凸部的斷面為梯形的視圖，圖6E為表示凸部和凹部為三角形的視圖。
圖7為表示施例中投射壓力和平均凹窩深度之關(guān)系的曲線圖。
圖8為表示實(shí)施例中跑合運(yùn)行時間和降低指數(shù)之關(guān)系的曲線圖。
圖9為表示實(shí)施例中平均凹窩深度和滑動阻抗降低率之關(guān)系的曲線圖。
圖10為表示實(shí)施例中投射壓力和滑動阻抗降低率之關(guān)系的曲線圖。
圖11為表示實(shí)施例中試料的按壓負(fù)荷和摩擦系數(shù)之關(guān)系的曲線圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳方式以下，參照具體的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
A．試料的制作制作出通常的形狀和大小的活塞。在活塞的外周上形成圖6A所示0的斷面形狀的凸部(條痕)，凸部之間的間隔約為250μm，凸部的高度約為10μm。然后，將活塞安裝在轉(zhuǎn)臺的中央上，使轉(zhuǎn)臺形狀，同時借助壓縮空氣向活塞的側(cè)面投射平均粒徑為40μm的玻璃珠。這樣，使投射壓力從1.5kg/cm2變化到5.0kg/cm2，制作出數(shù)個試料。
B．凹窩的測定關(guān)于各試料的凹窩平均深度，測定各試料的表面粗度Ra，以其平均粗度Ra的值作為平均深度。其結(jié)果示于圖7。從圖7中可知，隨著噴丸處理的投射壓力的增加，凹窩的深度增大。
C．摩擦損失的測定從上述試料中選出合適的試料安裝在內(nèi)燃機(jī)中，進(jìn)行摩擦損失的測定。在這種摩擦損失的測定中，測定內(nèi)燃機(jī)的摩擦損失馬力，從馬力的變化計算出滑動阻抗的降低指數(shù)。以運(yùn)行開始時的降低指數(shù)為1，降低指數(shù)隨時間的變化示于圖8。另外，圖8中，降低指數(shù)為0.9時表示滑動阻抗降低了10％。而且，為了比較，以未進(jìn)行噴丸處理的具有圖6A所示的斷面形狀的活塞作為比較例，進(jìn)行同樣的跑合運(yùn)行，其結(jié)果一并示于圖8。
如圖8所示，在本發(fā)明例中，當(dāng)跑合運(yùn)行開始時，降低指數(shù)瞬時間從1減少到0.94，其后緩慢地持續(xù)減少。而在比較例中，降低指數(shù)初期的減少比本發(fā)明例要緩慢，其后也維持在比本發(fā)明例高的水平上。當(dāng)比較跑合運(yùn)行結(jié)束時的降低指數(shù)時，可知本發(fā)明例與比較例相比，降低指數(shù)低2.2％。
D．滑動試驗(yàn)將上述實(shí)施例的試料側(cè)面按壓在模擬套筒的板材上，使試料以50mm的行程往復(fù)移動。而且，此時潤滑油滴落到板材的表面上，同時使按壓負(fù)荷階段性地增加。實(shí)時測定此時的摩擦阻抗，用時間對摩擦阻抗進(jìn)行積分，測定出單位時間的平均摩擦阻抗。而且，對于上述跑合運(yùn)行采用的比較例的試料也進(jìn)行同樣的滑動試驗(yàn)。計算出比較例的平均摩擦阻抗為1時的實(shí)施例平均摩擦阻抗，并計算出滑動阻抗相對于比較例的降低率(％)。圖9中表示出平均凹窩深度和滑動阻抗降低率的關(guān)系。從圖9中可知，平均凹窩深度為0.6～1.8μm時的滑動阻抗降低率最高。
然后，將圖9中所示的關(guān)系還原成噴丸處理的投射壓力和滑動阻抗降低率的關(guān)系，并示于圖10。圖10中對投射壓力為2.5～4.5kg/cm2的情況進(jìn)行了圖示，但以點(diǎn)劃線將與圖示相符合的曲線外延。其結(jié)果，推斷出投射壓力為1.5～5.0kg/cm2時的滑動阻抗降低率最高。
E．燒結(jié)試驗(yàn)在上述滑動試驗(yàn)中，停止?jié)櫥偷牡温?，邊測定摩擦系數(shù)邊使其滑動到產(chǎn)生燒結(jié)。對本發(fā)明例和上述比較例的試料進(jìn)行這種試驗(yàn)，其結(jié)果示于圖11。如圖11所示，在比較例中，7kgf時產(chǎn)生燒結(jié)，而在本發(fā)明例中，直到22kgf時才產(chǎn)生燒結(jié)。這樣，可以判定本發(fā)明的活塞具有良好的耐燒結(jié)性，在防止雜音發(fā)生上是有效的。
如上所述，在本發(fā)明中，由于設(shè)置朝圓周方向延伸的凸部，并在該凸部的表面上設(shè)置微細(xì)的凹窩，所以可將潤滑油保持在凹窩上，同時在跑合運(yùn)行中易于從凹窩形成的匯流部將潤滑油引出，因此，可在防止產(chǎn)生雜音的同時降低跑合運(yùn)行后的滑動阻抗。而且，這樣一來，由于能夠減小活塞的裙部和套筒之間的間隙，可使活塞的姿勢穩(wěn)定，防止活塞的撞擊音，并可降低噪音或振動。
權(quán)利要求
1．一種滑動部件，其特征在于，在相互滑動的滑動部件中至少一方的滑動面上設(shè)置向與滑動方向交叉的方向延伸的凸部，在該凸部的表面上設(shè)置有微細(xì)的凹窩。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動部件，其特征在于，上述凹窩的平均深度為0.6～1.8μm。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動部件，其特征在于，上述凸部呈在沿上述滑動方向的斷面上所視時大致為梯形。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的滑動部件，其特征在于，在上述梯形部分的邊緣部上形成有由上述凹窩形成的匯流部。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動部件，其特征在于，上述凹窩成為儲油部而保持潤滑油。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動部件，其特征在于，上述凹窩是通過采用平均粒徑為20～60μm的玻璃珠進(jìn)行噴丸處理形成的。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的滑動部件，其特征在于，上述玻璃珠具有20μm以上的粒徑。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動部件，其特征在于，上述凸部設(shè)置有多個，上述凸部之間的間隔為200～400μm。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的滑動部件，其特征在于，上述凸部之間的間隔為250～300μm。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動部件，其特征在于，上述凸部初始磨損前的高度為7～15μm。
11．根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動部件，其特征在于，上述凸部初始磨損前的高度為8～12μm。
12．根據(jù)權(quán)利要求8所述的滑動部件，其特征在于，在上述凸部之間的凹部上也設(shè)有凹窩。
13．一種內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，在活塞本體側(cè)面中的至少裙部上設(shè)置有沿圓周方向延伸的凸部，在該凸部的表面上設(shè)置有微細(xì)的凹窩。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，在活塞環(huán)用的槽上也設(shè)有凹窩。
15．根據(jù)權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，在環(huán)槽脊上也設(shè)有凹窩。
16．根據(jù)權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，上述凹窩的平均深度為0.6～1.8μm。
17．根據(jù)權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，上述凸部呈在沿上述滑動方向的斷面上所視時大致為梯形。
18．根據(jù)權(quán)利要求17所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，在上述梯形部分的邊緣部上形成有由上述凹窩形成的匯流部。
19．根據(jù)權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，上述凹窩成為儲油部而保持潤滑油。
20．根據(jù)權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，上述凹窩是通過采用平均粒徑為20～60μm的玻璃珠進(jìn)行噴丸處理形成的。
21．根據(jù)權(quán)利要求20所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，上述玻璃珠具有20μm以上的粒徑。
22．根據(jù)權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，上述凸部設(shè)置有多個，上述凸部之間的間隔為200～400μm。
23．根據(jù)權(quán)利要求22所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，上述凸部之間的間隔為250～300μm。
24．根據(jù)權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，上述凸部初始磨損前的高度為7～15μm。
25．根據(jù)權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，上述凸部初始磨損前的高度為8～12μm。
26．根據(jù)權(quán)利要求22所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，在上述凸部之間的凹部上也設(shè)有凹窩。
全文摘要
在相互滑動的滑動部件中至少一方的滑動面上設(shè)置向與滑動方向相交叉的方向延伸的凸部,在該凸部的表面上設(shè)置有微細(xì)的凹窩。在這種滑動部件中,可將潤滑油保持在凹窩中,同時在跑合運(yùn)行時易于將潤滑油從凹窩形成的匯流部引出。
文檔編號F01M1/08GK1316035SQ00801276
公開日2001年10月3日 申請日期2000年6月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月5日
發(fā)明者小林重實(shí), 村田雅史, 荻原秀實(shí), 山田裕, 石塚和久, 綱島榮 申請人:本田技研工業(yè)株式會社